Marsch, 49, tog över efter den av fansen mycket uppskattade argentinaren Marcelo Bielsa i slutet av februari förra året.
I den sista omgången i våras lyckades Marsch rädda klubben kvar i den högsta serien. Men det förmodade lyftet har uteblivit hittills den här säsongen.
0–1-förlusten borta mot Nottingham i söndags blev för mycket för klubbens ledning.
"Leeds United kan bekräfta att huvudtränare Jesse Marsch är arbetsbefriad", skriver klubben på sin webbplats.
Leeds är inblandat i nedflyttningsstriden och ligger på 17:e plats, strax över nedflyttningsstrecket, med 18 poäng på 20 spelade ligamatcher.
Marsch har inte haft någon större lycka i sina två senaste klubbar. Han fick sparken efter ett halvår i Leipzig i Bundesliga i december 2021.
Även Marschs medhjälpare Rene Maric, Cameron Toshack och Pierre Barrieu får lämna Leeds som inte har klart med en ersättare till amerikanen.
Redan på onsdag väntar Manchester United i ligan på Old Trafford.
Marsch är den sjunde managern i Premier League som förlorat sitt jobb den här säsongen. Övriga är Scott Parker (Bournemouth), Thomas Tuchel (Chelsea), Bruno Lage (Wolverhampton), Steven Gerrard (Aston Villa), Ralph Hasenhüttl (Southampton) och Frank Lampard (Everton).